【整理】课堂新坐标2016_2017高中数学第2章圆锥曲线2.3柱面与平面的截面2.4平面截圆锥面学

  • 格式:pdf
  • 大小:248.22 KB
  • 文档页数:8

- 1 - §3柱面与平面的截面

§4平面截圆锥面

1.了解柱面、旋转面、圆锥面的形成过程.

2.了解平面截圆柱面所得交线为圆或椭圆.

3.了解平面截对顶圆锥面所得交线为圆、椭圆、双曲线和抛物线.

[基础·初探]

教材整理1 柱面与平面的截面

(1)柱面、旋转面

①圆柱面

如图2-3-1①所示,圆柱面可以看成是一个矩形ABCD以一边CD所在的直线为轴,旋转

一周后AB边所形成的曲面.

图2-3-1

②旋转面

如图2-3-1②所示,平面上一条曲线C

绕着一条直线l

旋转一周后所形成的曲面称为旋

转面.

(2)垂直截面

用垂直于轴的平面截圆柱面,所得的交线为一个圆.

(3)一般截面

当截面与圆柱面的轴不垂直时,所得交线为椭圆.

1.用一个平面去截一个圆柱面,其交线是( )

A.圆B.椭圆

- 2 - C.两条平行线D.以上均可能

【解析】当平面垂直于圆柱面的轴时,交线为圆;当平面与圆柱面的轴平行时,交线

为两条平行线,当平面与圆柱面的轴不平行也不垂直时,交线为椭圆,故选D.

【答案】D

教材整理2 平面截圆锥面

(1)圆锥面

取直线l

为轴,直线l

′与l

相交于点O

,其夹角为σ(0°<σ<90°),l

′绕l

旋转

一周得到一个以O为顶点,l′为母线的圆锥面.

(2)垂直截面

当截面与圆锥面的轴垂直时,所得的交线是一个圆.

(3)一般截面

定理:在空间,直线l

′与l

相交于点O

,其夹角为σ,l

′绕l

旋转一周得到以O

为顶

点,l

′为母线的圆锥面,任取平面β,若它与轴l

的交角为θ,则

①当θ>σ时,平面β与圆锥面的交线为椭圆;

②当θ=σ时,平面β与圆锥面的交线为抛物线;

③当θ<σ时,平面β与圆锥面的交线为双曲线.

2.用一个过圆锥面顶点的平面去截圆锥面,则交线为( )

【导学号:96990047】

A.椭圆B.双曲线

C.抛物线D.两条相交直线

【答案】D

3.一圆锥面的母线和轴线成30°角,当用一与轴线成30°的不过顶点的平面去截圆锥面

时,所截得的截线是( )

A.椭圆B.双曲线

C.抛物线D.两条相交直线

【解析】如图所示,可知应为抛物线.

- 3 - 【答案】C

[质疑·手记]

预习完成后,请将你的疑问记录,并与“小伙伴们”探讨交流:

疑问1:

解惑:

疑问2:

解惑:

疑问3:

解惑:

[小组合作型]

平面与圆柱面交线性质的应用

圆柱的底面半径为5,高为5,若一平行于轴的平面截圆柱得一正方形,求轴到

截面的距离.

【精彩点拨】将题目中给出的关系转化为线面关系求解.

【自主解答】如图所示,

ABCD

为边长为5的正方形,

连接OC,OD,∴△OCD为等边三角形.

设CD

的中点为E

,连接OE

则OE

⊥CD

,且OE

=5

23,

又AD

⊥上底面,∴AD

⊥OE

,故OE

⊥平面ABCD

,故OE

为轴到截面的距离,∴轴到截面的

距离为5

23.

- 4 - 1.解答本题时,应根据线面关系作出线面距.

2.当圆柱面的截面平行于轴或垂直于轴时,利用点、线、面关系可解决.

[再练一题]

1.如图2-3-2所示,圆柱面的母线长为2 cm,点O,O′分别是上、下底面的圆心.若

OA

⊥O

′B

′,OA

=1 cm.求:

图2-3-2

(1)OO

′与AB

′所成的角的正切值;

(2)过AB

′与OO

′平行的截面面积;

(3)O

到截面的距离.

【解】(1)设过A

的母线为AA

′,则OO

′∥AA

′,OO

′A

′A

是矩形.易知△O

′B

′A

是等腰直角三角形,∴A

′B

′=2.

又AA′=2,OO′与AB′所成的角为∠B′AA′,

∴tan ∠B

′AA

′=A

′B

AA′=2

2.

(2)所求截面为矩形AA

′B

′B

,面积等于22 cm2

.

(3)O

到截面的距离即OO

′到截面的距离,也是O

′到截面的距离为2

2 cm.

平面与圆锥面交线性质的应用

如图2-3-3所示,AB

,CD

是圆锥面的正截面(垂直于轴的截面)上互相垂直的两

条直线,过CD

和母线VB

的中点E

作一截面.已知圆锥侧面展开图扇形的中心角为2π,求截

面与圆锥的轴线所夹的角的大小,并说明截线是什么曲线.

图2-3-3

【精彩点拨】求圆锥顶角――――→据OE

∥VA

求∠VOE

――→等角

结论:抛物线

- 5 - 【自主解答】设⊙O

的半径为R

,母线VB

=l

,则圆锥侧面展开图的中心角为2πR

l=2

π,

∴R

l=2

2,∴sin∠BVO

=2

2.

∴圆锥的母线与轴的夹角σ=∠BVO

=π

4.

∵O

,E

分别是AB

,VB

的中点,

∴OE

∥VA

.

∴∠VOE=∠AVO=∠BVO=π

4,∴∠VEO=π

2,即VE⊥OE.

又∵AB

⊥CD

,VO

⊥CD

,∴CD

⊥平面VAB

.

∵VE

?平面VAB

,∴VE

⊥CD

.

又∵OE

∩CD

=O

∴VE

⊥平面CDE

,∴OE

是VO

在平面CDE

上的射影.

∴∠VOE

是截面与轴线的夹角,∴截面轴线夹角大小为π

4.

由圆锥的半顶角与截面与轴线的夹角相等,知截面CDE

与圆锥面的截线为一抛物线.

1.解答本题的关键是求出截面与轴的夹角以及母线与轴的夹角.

2.判断平面与圆锥面交线形状的方法

(1)求圆锥面的母线与轴线的夹角σ,截面与轴的夹角θ;

(2)判断σ与θ的大小关系;

(3)根据定理判断截线是什么曲线.

[再练一题]

2.如图2-3-4所示,平面ABC

是圆锥面的正截面,PAB

是圆锥的轴截面,已知∠APC

=60°,

∠BPC

=90°,PA

=4.

图2-3-4

(1)求二面角A

-PC

-B

的余弦值;

- 6 - (2)求正截面圆圆心O

到平面PAC

的距离.

【解】(1)∵∠APC=60°,

∴△APC

为等边三角形.

如图所示,分别取PC

,BC

的中点D

,E

,连接AD

,DE

,则AD

⊥PC

DE∥PB.

又PB

⊥PC

,∴DE

⊥PC

.

故∠ADE

为二面角A

-PC

-B

的平面角.

连接AE,在Rt△ACE中,求得AE2

=24.

又AD

=3

2PA

=23,DE

=1

2PB

=2,在△ADE

中,由余弦定理,得

cos∠ADE=-3

3.

(2)取AC

的中点F

,连接PF

,OF

,则AC

⊥平面POF

,从而平面PAC

⊥平面POF

.

过O点作OH⊥PF,垂足为H,则OH⊥平面PAC,故OH的长为O点到平面PAC的距离.

在Rt△ACB

中,AC

=PA

=4,BC

=2PB

=42,从而AB

=43,OP

=2.

在Rt△POF中,OF=1

2BC=22,OP=2,PF=3

2PA=23,由面积关系,

得OH

=OF·OP

PF=26

3.

即O

点到平面PAC

的距离为2

36.

[探究共研型]

截面的图形特征

探究1 平面β截圆柱面,β与圆柱面的轴的夹角θ变化,所截出的椭圆有什么变化?

【提示】θ变化不影响椭圆的短轴,θ越小,长轴越长,椭圆越扁,离心率越大.

探究2 若平面与圆柱面轴的夹角为θ,圆柱面的半径为r

,则平面截圆柱面所得的椭

圆的长轴长2a

,短轴长2b

,离心率e

的值如何用θ,r

表示?

【提示】由两焦球球心距离等于截得椭圆的长轴长,故2a

=2r

sin θ,椭圆的短轴长2b

=2r

,离心率e

=c

a=cos θ.

如图2-3-5,已知球O

1,O

2分别切平面β于点F

1,F

2.G

1G

2=2a

Q

1Q

2=2b

,G

1G

2与Q

1Q

2垂直且互相平分,求证:F

1F

2=2a2

-b2

.

【自主解答】连接AB

,过G

1作G

1H

⊥BG

2,H

为垂足,则四边形ABHG

1是

矩形,∴G

1H=AB.